基于“工業(yè)4.0”背景下的高校數(shù)字化工廠實踐平臺建設(shè)研究

郝靜++張凱

摘要：基于“工業(yè)4.0”背景下的高校數(shù)字化工廠實踐平臺以建設(shè)數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)、智能化管理軟件、可視化生產(chǎn)過程、自動化生產(chǎn)設(shè)備，即“四化融合”為核心，以為學(xué)生、企業(yè)、社會“三服務(wù)”為宗旨，以培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計能力、工程實踐能力、生產(chǎn)管理能力、信息化應(yīng)用能力、智能制造能力為重點，為全校各相關(guān)專業(yè)提供集機(jī)械、電子、信息、系統(tǒng)和管理為一體的具有現(xiàn)代工程背景的教學(xué)環(huán)境和平臺。通過平臺的實踐項目訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生具有多學(xué)科的綜合知識和技能，為智能制造提供人才支撐。

Abstract： Digital Factory is built with the core of "four modernizations integration" which are digital product data， intelligent management software， visualization of the production process and automated production equipment. It provides mechanical， electronics， information， systems and management as one of the modern teaching environment and platform engineering background to the relevant professional of the school. It can train students engineering design capabilities， the ability to practice engineering， production management ability， information technology application ability and intelligent manufacturing capacity by giving service to students， enterprises and society. Through the platform of practice project training， the students have the multi-disciplinary comprehensive knowledge and skills， to provide talent support for intelligent manufacturing.

關(guān)鍵詞：工業(yè)4.0；數(shù)字化工廠；實踐平臺

Key words： industry 4.0；digital factory；practice platform

中圖分類號：G719.21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）30-0115-03

0 引言

新一輪工業(yè)革命大潮中，各國紛紛把發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)上升為國家戰(zhàn)略，德國推出“工業(yè)4.0”，美國提出“再工業(yè)化”，都在努力爭奪全球制造業(yè)的領(lǐng)先地位[1]。中國制造業(yè)由于人力成本上漲、產(chǎn)能過剩、技術(shù)含量不高、品牌影響力不夠，一直以來依靠低成本、高消耗、高排放推動增長的模式已經(jīng)嚴(yán)重阻礙其發(fā)展。目前企業(yè)以勞動密集型為主，自動化水平較低，已實現(xiàn)數(shù)字化管理，數(shù)字化設(shè)計，數(shù)字化制造的還不多，隨著人口紅利減弱，低成本優(yōu)勢消失，發(fā)達(dá)國家制造業(yè)回流，傳統(tǒng)制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級成為必須要著力解決的關(guān)鍵問題。

企業(yè)在產(chǎn)業(yè)升級過程中需要面對兩個問題，一個是企業(yè)需要大量復(fù)合型高技術(shù)技能人才問題，二個是如何升級的問題。高校建設(shè)數(shù)字化工廠實踐平臺可以解決這兩個問題。利用數(shù)字化工廠實踐平臺，培養(yǎng)學(xué)生對數(shù)字化工廠體系的認(rèn)識理解及相關(guān)設(shè)備的操作，了解工業(yè)，制造業(yè)，智能制造的生產(chǎn)模式、組織模式，產(chǎn)品形態(tài)等，為企業(yè)升級提供相關(guān)的高技能人才。同時，又可以為企業(yè)升級做示范。

國內(nèi)的高校對數(shù)字化工廠實踐平臺的研究比較少，知網(wǎng)上相關(guān)文章并不多，如：蘇亞輝《高職工科類專業(yè)數(shù)字化實訓(xùn)工廠的建設(shè)》只是提出把現(xiàn)代化的企業(yè)生產(chǎn)流程引入日常實訓(xùn)教學(xué)。宮海斌《校企合作——數(shù)字化實訓(xùn)基地的建設(shè)與管理研究》提出了通過校企合作、工學(xué)合一，引進(jìn)企業(yè)先進(jìn)生產(chǎn)理念、企業(yè)文化、管理經(jīng)驗、產(chǎn)品設(shè)備為學(xué)生實習(xí)實訓(xùn)提供保障的理念。周月俠《高職院校建立數(shù)字化工廠意義淺析》只是介紹了高職院校建立數(shù)字化工廠的意義。武平麗《模擬數(shù)字化工廠的實訓(xùn)中心建設(shè)方案研究》提出利用工業(yè)控制軟件，模擬數(shù)字化工廠控制工程的設(shè)計、安裝、仿真調(diào)試和投運的方案。這些研究還只是對數(shù)字化工廠理念和實訓(xùn)仿真的研究。還有少數(shù)的高職院校建設(shè)了校內(nèi)智能工廠，但只是停留在現(xiàn)成的硬件集成或建一條數(shù)字化生產(chǎn)線和廠房，在軟件方面，基本是購買商品化的各種應(yīng)用軟件，不僅成本高，而且各軟件的集成相當(dāng)困難，應(yīng)用的效果并不理想。

基于“工業(yè)4.0”高校數(shù)字化工廠實踐平臺依托于具有自主知識產(chǎn)權(quán)的JDDFS數(shù)字化工廠平臺，根據(jù)校內(nèi)現(xiàn)有的以及可以增加的硬件設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化升級和改造，不僅成本低，而且易實現(xiàn)，可以作為機(jī)械、機(jī)電、控制、電子乃至管理類專業(yè)的實踐基地。通過依托平臺開發(fā)的實踐項目，培養(yǎng)學(xué)生具有生產(chǎn)第一線或工作現(xiàn)場技術(shù)操作與指導(dǎo)、工程管理方面的技能，知識技能高度復(fù)合，該實踐平臺建設(shè)對培養(yǎng)數(shù)字化設(shè)計與制造、數(shù)字化加工、數(shù)字化管理人才，推進(jìn)數(shù)字化工程，提升制造業(yè)競爭力有重要意義。

1 數(shù)字化工廠實踐平臺建設(shè)目標(biāo)

建設(shè)“四化融合，三服務(wù)”的數(shù)字化工廠實踐平臺，即：數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)、智能化管理軟件、可視化生產(chǎn)過程、自動化生產(chǎn)設(shè)備，更好的為學(xué)生、企業(yè)、社會服務(wù)。

①數(shù)字化工廠實踐平臺面向?qū)W生主體群，面向全校相關(guān)專業(yè)，打造一個真實的、適合的、可行的，能培養(yǎng)適應(yīng)智能制造的專業(yè)技能人才的實踐平臺，使學(xué)生在校期間對未來智能制造體系有一個比較清晰的認(rèn)識和概念。

②為目前自動化程度不高，信息化管理落后的中小企業(yè)提供數(shù)字化工廠的示范。

③培訓(xùn)社會人員。企業(yè)經(jīng)營風(fēng)險增加，員工技能老化率上升，工作崗位重組頻繁，在職員工流動加大，再就業(yè)的終身進(jìn)修成為必要手段。利用該實踐平臺可以開展層次多樣，期限不同的各種培訓(xùn)，為社會人員再就業(yè)提供保障。

2 數(shù)字化工廠實踐平臺建設(shè)內(nèi)容

數(shù)字化工廠實踐平臺建設(shè)分為兩部分，一是數(shù)字化工廠實踐平臺的建設(shè)，二是針對此平臺的教學(xué)實踐項目的開發(fā)。

2.1 數(shù)字化工廠實踐平臺的建設(shè)

數(shù)字化工廠實踐平臺是由硬件與軟件組成，即車間硬件設(shè)備與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)進(jìn)行集成，形成綜合信息流自動化集成制造系統(tǒng)[2]。

數(shù)字化工廠實踐平臺從組織結(jié)構(gòu)上分為四層：設(shè)計與制造層、計劃管理層、數(shù)字化制造層和底層控制層。

2.1.1 數(shù)字化工廠實踐平臺軟件運用

數(shù)字化工廠實踐平臺軟件主要由三部分組成：PDM系統(tǒng)（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）、ERP系統(tǒng)（企業(yè)資源計劃）、MES系統(tǒng)（制造執(zhí)行系統(tǒng)）。PDM解決了“做什么”的問題，ERP解決了“何時何地由誰做”的問題，MES解決了“怎么做”的問題。

①產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM， Production Data Management）軟件的運用。

產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理是位于設(shè)計與制造層的管理軟件，它是介于數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用軟件間的一個軟件開發(fā)平臺，解決了“做什么”的問題。通過PDM平臺，實現(xiàn)CAD/CAM/CAPP/CAE的一體化，使產(chǎn)品向無圖紙制造方向發(fā)展。產(chǎn)品CAD數(shù)據(jù)經(jīng)過校核，直接傳送給數(shù)控機(jī)床完成加工[3]。

②企業(yè)資源計劃（ERP， Enterprise Resource Planning）軟件的運用。

ERP是位于計劃管理層的管理軟件，主要用于制造資源（人、財、物、信息等）的組織和控制，解決了“何時何地由誰做”的問題，在數(shù)字化工廠實踐平臺上重點實現(xiàn)物料需求、物流及庫存管理功能。

③制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES， Manufacturing Execution System）軟件的運用。

MES是處于計劃管理層與底層控制層之間的數(shù)字化制造層的管理軟件，解決了“怎么做”的問題，在數(shù)字化工廠平臺上實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度、產(chǎn)品跟蹤、質(zhì)量控制、設(shè)備故障分析及在ERP生產(chǎn)計劃的指導(dǎo)下，采集現(xiàn)場自動化系統(tǒng)與生產(chǎn)相關(guān)的實時數(shù)據(jù)，自動生成生產(chǎn)日計劃，現(xiàn)場監(jiān)控、生產(chǎn)過程優(yōu)化等任務(wù)[4]。

2.1.2 數(shù)字化工廠實踐平臺系統(tǒng)集成

數(shù)字化工廠實踐平臺實現(xiàn)以數(shù)字化制造層為核心與其它部分的集成。一與設(shè)計與制造層進(jìn)行集成。二與計劃經(jīng)營管理層集成。三與底層控制集成。

2.1.3 數(shù)字化工廠的硬件建設(shè)

根據(jù)已有的數(shù)控設(shè)備及增加設(shè)備，進(jìn)行整體布局。即對廠房設(shè)計、車間內(nèi)部設(shè)施、整體信息化及各種物流進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計。車間內(nèi)部設(shè)施的布局包括：生產(chǎn)設(shè)備的位置與擺放；各工位的位置；車間內(nèi)各種附件位置；立體化倉庫的位置以及實時數(shù)據(jù)采集設(shè)備的安裝；車間生產(chǎn)監(jiān)控設(shè)備安裝；車間信息看板設(shè)備安裝等。整體信息化包括：機(jī)房、中控室的選擇；DNC子網(wǎng)的綜合布線、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的位置及其防護(hù)設(shè)備等[5]。

數(shù)字化工廠實踐平臺的總體運行機(jī)制是“數(shù)據(jù)驅(qū)動”，即從PDM系統(tǒng)中獲取產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息，輸出各種與生產(chǎn)有關(guān)的信息，實現(xiàn)與ERP和MES等系統(tǒng)的交互。圖1給出了數(shù)字化工廠實踐平臺信息化框架圖。

2.2 數(shù)字化工廠實踐平臺教學(xué)實踐項目開發(fā)

數(shù)字化工廠實踐平臺提供一個了具有現(xiàn)代化管理特征的工廠環(huán)境，在此平臺上開發(fā)了五大模塊的實踐項目，分別為基礎(chǔ)模塊、設(shè)計工藝模塊、計劃管理模塊、數(shù)字化制造模塊、設(shè)備操作模塊。圖2給出了數(shù)字化工廠實踐平臺教學(xué)實踐項目。

第一模塊：基礎(chǔ)模塊

①數(shù)字化工廠認(rèn)識（音像教材、數(shù)字化工廠實踐平臺）；

第二模塊：設(shè)計工藝模塊

②機(jī)械CAD/CAM（產(chǎn)品設(shè)計與制造）；

③CAPP（產(chǎn)品工藝）；

④逆向工程（產(chǎn)品設(shè)計過程再現(xiàn)）；

第三模塊：計劃管理模塊

⑤物料管理（適時、適量、適價、適質(zhì)地滿足對物料的需求）；

⑥生產(chǎn)管理（信息化生產(chǎn)管理）；

第四模塊：數(shù)字化制造模塊

⑦制造物聯(lián)網(wǎng)工程（把互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到制造業(yè)領(lǐng)域）；

⑧質(zhì)量管理（全面、全過程、全員參與、全企業(yè)的質(zhì)量管理）；

⑨數(shù)據(jù)采集技術(shù)（從系統(tǒng)外部采集數(shù)據(jù)并輸入到系統(tǒng)內(nèi)部，如條碼技術(shù)、RFID技術(shù)）；

⑩傳感器技術(shù)應(yīng)用（合理選用各種類型的傳感器，常用檢測儀器和傳感器的操作和調(diào)試）；

{11}AGV小車（原理、結(jié)構(gòu)、種類及應(yīng)用，物料運輸、出入庫運輸?shù)龋?/p>

{12}立體化倉庫（工作原理、貨物入庫、出庫及盤庫流程）；

第五模塊：設(shè)備操作模塊

{13}數(shù)控設(shè)備編程與操作（數(shù)控車、銑，加工中心的編程與操作）；

{14}用于典型加工對象的制造單元{箱體類零件、軸類零件、盤類零件}（針對不同加工對象的機(jī)床選擇、工藝安排與加工操作）。

3 數(shù)字化工廠實踐平臺建設(shè)過程

數(shù)字化工廠的建設(shè)過程分五步：①總體規(guī)劃；②初步設(shè)計；③詳細(xì)設(shè)計；④工程實施；⑤運行和維護(hù)。圖3給出了數(shù)字化工廠實踐平臺研究過程。

4 結(jié)論

數(shù)字化工廠實踐平臺以建設(shè)數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)、智能化管理軟件、可視化生產(chǎn)過程、自動化生產(chǎn)設(shè)備，即“四化融合”為核心，以為學(xué)生、企業(yè)、社會“三服務(wù)”為宗旨，以培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計能力、工程實踐能力、生產(chǎn)管理能力、信息化應(yīng)用能力、智能制造能力為重點，為全校各相關(guān)專業(yè)提供集機(jī)械、電子、信息、系統(tǒng)和管理為一體的具有現(xiàn)代工程背景的教學(xué)環(huán)境和平臺。通過平臺的實踐項目訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生具有多學(xué)科的綜合知識和技能，為智能制造提供人才支撐。

產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、企業(yè)資源計劃ERP三個管理軟件的開發(fā)依托于具有自主知識產(chǎn)權(quán)的JDDFS數(shù)字化工廠平臺，根據(jù)校內(nèi)現(xiàn)有及增加的硬件設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化升級和改造，成本低，集成方便，易于實現(xiàn)，應(yīng)用的針對性更強(qiáng)。

針對數(shù)字化工廠產(chǎn)品生產(chǎn)過程來開發(fā)實踐項目。在實踐項目的總體構(gòu)建上注重實踐項目之間的學(xué)科相關(guān)性和生產(chǎn)、工藝、技術(shù)、管理的完整性，使學(xué)生得到對數(shù)字化工廠從產(chǎn)品設(shè)計、工藝、管理到加工的完整實踐，保證了認(rèn)識的全面性和系統(tǒng)性。

參考文獻(xiàn)：

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